CN103913130B - 一种用于视觉三维测量组合编解码的容错方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种用于视觉三维测量组合编解码的容错方法。本发明将编解码过程转换到归一化空间进行，便于计算；通过归一化因子映射可在测量空间中任意尺度编解码。编码时，设定模拟码周期长度为2，数字码周期长度为1；设定模拟码起始点相对于数字码起始点滞后0.5。解码时，利用容错式求得组合码值，避免了最易出错的数字码值对组合码值的影响。本发明在整个编码空间内，修正了由数字码值错误带来的组合码值错误，从而避免了测量粗大误差；也即，避免了由图像信息提取误差带来的测量粗大误差。

Description

一种用于视觉三维测量组合编解码的容错方法
（一）技术领域
本发明涉及视觉三维测量领域，尤其涉及该领域中的组合编解码方法及其容错方法。
（二）背景技术
视觉三维测量方法主要包括结构光法和双目法两类，两类方法通过编解码过程划分测量空间，目的是提高测量效率(速度)同时保证测量准确度。
编解码方法主要包括空间编解码法和时间编解码法，其中前者测量效率较高，后者测量准确度较高。
时间编解码法主要分为数字码、模拟码、组合码三类。
数字码将测量空间划分为若干区域，每个区域对应一个数字码值，因此数字码分辨率较低、抗干扰能力强。代表性的数字码有二进制码、多进制码、格雷码、RGB码等。
模拟码理论上可实现测量空间的连续划分，测量空间中的每个点对应一个模拟码值，因此模拟码分辨率高，但抗干扰能力弱。代表性的模拟码有相移法、强度比法、颜色比法等。
组合码将数字码与模拟码结合，首先利用数字码将测量空间划分为若干区域，然后在每个区域内利用模拟码进行连续划分。这样，既避免了模拟码跨度过大导致的抗干扰能力弱，又实现了测量空间的连续划分。组合编解码的具体过程为，利用投射器依时序向测量空间投射数字码和模拟码，利用摄像机拍摄相应的多幅图像。以测量空间中某点为例，根据该点的图像信息，确定该点的数字码值k即可确定其所在的区域k；确定该点的模拟码值即可确定其在区域k内的具体位置；最后，利用组合码值即可确定该点在测量空间中的位置，式中为数字码周期长度。
近年来，国内外研究者提出多种组合码，它们的基本特点为，编码时数字码周期长度和模拟码周期长度相等，且数字码起始点和模拟码起始点相同(即各个数字码周期边缘与模拟码周期边缘一一对齐)；它们的不足之处在于，解码时，图像信息提取误差(灰度、颜色的判断误差)可能会导致数字码值k错误(在周期边缘附近尤为明显)，从而导致组合码值错误，最终产生测量粗大误差(约为的整数倍)，而由产生的误差远小于由k产生的误差。为了避免测量粗大误差，国内外研究者提出了一些周期边缘处的码值判别与修正规则，对于某些粗大误差点具有一定效果；但未系统地分析编解码方法与码值错误的关系，未建立该关系的数学模型，未在整个编码空间(对应整个测量空间)利用编解码方法消除粗大误差点，而这正是本发明致力解决的问题。
（三）发明内容
本发明的目的在于克服视觉三维测量组合编解码过程中，由图像信息提取误差带来组合码值错误，从而导致测量粗大误差的不足，提供一种能够避免组合码值错误的容错方法。
本发明的目的是这样实现的：
步骤一：
将编解码过程转换到归一化空间进行，归一化因子设为
式中为模拟码周期的物理长度；为数字码周期的物理长度。
则归一化空间中的模拟码周期长度数字码周期长度。
步骤二：
编码时，设定,设定模拟码起始点相对于数字码起始点滞后。如图1所示为部分编码，图中横轴为组合码值，反映被测点在编码空间中的位置；纵轴表示模拟码值、数字码值；O为组合编码的起始点；图中粗实线表示数字码，粗虚线表示模拟码。
步骤三：
解码时，被测点所在的模拟码周期序数根据被测点的数字码值和模拟码值由式(1)求得，式中fix为向下取整函数。
(1)
组合码值由式(2)求得
(2)
本发明的有益效果有：
1. 在整个编码空间内，修正了由数字码值错误带来的组合码值错误，从而避免了测量粗大误差；也即，避免了由图像信息提取误差带来的测量粗大误差。
2. 组合码值由式求得，避免了最易出错的数字码值对组合码值的影响。
3. 将编解码过程转换到归一化空间进行，归一化空间中的模拟码周期长度、数字码周期长度可设定为整数，便于计算；通过归一化因子将、映射为模拟码周期的物理长度、数字码周期的物理长度，改变可在测量空间中任意尺度编解码。
（四）附图说明
图1为本发明的编码原理图。
图2为数字码与模拟码的周期长度\位置关系分析图。
图3为容错能力分析图。
（五）具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的说明：
1. 解码公式推导
图1中，不失一般性，任意点P的组合码值可由数字码或模拟码表示为
(3)
(4)
式(3)中，表示P在某个数字码周期内的实际位置，无法求得，后面将略去。
联立式(3)和式(4)得到
(5)
将(该关系为编码时设定)代入式(5)，整理得到
(6)
将和分别分解为整数部分与小数部分之和，即，，式中[]表示整数部分、{}表示小数部分。整理式(6)得到
(7)
式(7)中，、，则，以下分两种情况讨论：
情况一，当时，式(7)两边同时加上并进行向下取整运算得到
) (8)
式(8)左侧，由于，则；式(8)右侧，由于、均为正整数，则对取整运算结果无影响，可舍去。则得到
) (9)
情况二，当时，式(7)两边同时进行向下取整运算仍得到式(9)。
综合情况一和情况二，得到km的一般表达式
) (10)
若编码时设定、、则式(10)简化后得到发明内容步骤三中的式(1)。
编码依据
若数字码和模拟码的周期长度相等、周期边缘一一对齐，则(由确定)，根据，则数字码值错误导致组合码值错误，产生整数倍的粗大误差。因此，该编解码方法不具有容错能力。
为了使编解码方法具有容错能力：
第一，本发明设定数字码和模拟码的周期长度不相等，且。不失一般性，归一化空间中与相差1，则测量空间中二者可相差任意值(通过映射)。
第二，本发明设定模拟码起始点相对于数字码起始点滞后，则任意数字码和模拟码周期边缘不对齐。
图2所示为数字码与模拟码的位置关系，图中只显示了数字码和模拟码的某部分。若某点A的模拟码真值为，无论数字码值出错与否，只要(为的实际测量值，即，则根据式(10)得到的不受影响。在区间[m, m+1)内，兼顾模拟码真值的可测范围和容错范围，则取边缘E在m+0.5处，的可测范围为[m+0.25, m+0.75)，容错范围为。
如前所述，当的情况下，容错能力最强，即数字码只在其周期边缘两侧各0.25的范围内出错、模拟码测量误差小于时，容错能力最强。显然，数字码容错范围为、模拟码容错范围为，则和越大越好，亦即和越小越好。又因为和为正整数，，则选择、，可使容错范围最大，同时。
综上，本发明编码时设定，、、。
容错能力(具体误差)分析
以表示A点的模拟码真值、表示A点的模拟码实际测量值(通过图像信息提取得到)；以表示A点的数字码真值、表示A点的数字码实际测量值(通过图像信息提取得到)；以表示A点的模拟码周期序数真值、表示A点的模拟码周期序数实际测量值(通过式(1)得到)；以表示A点的组合码真值、表示A点的组合码实际测量值(通过式(2)得到)。
B、C、D点的符号设定与A点相似。
以下以图3中A、B、C、D点为例，讨论数字码周期边缘附近的误差情况(容错能力)。
分析0.5附近A点的组合码值误差
若
假设不出错，则，根据式(1)得到，所以。结果，组合码值误差等于模拟码值误差，组合码值未出现粗大误差。
假设出错，则，根据式(1)得到，所以。结果，组合码值误差等于模拟码值误差，组合码值未出现粗大误差。
若
假设不出错，则，根据式(1)得到，所以。结果，组合码值误差等于模拟码值误差，组合码值未出现粗大误差。
假设出错，则，根据式(1)得到，所以。结果，组合码值误差等于模拟码值误差，组合码值未出现粗大误差。
分析0.5附近B点的组合码值误差
若
假设不出错，则，根据式(1)得到，所以。结果，组合码值误差等于模拟码值误差，组合码值未出现粗大误差。
假设出错，则，根据式(1)得到，所以。结果，组合码值误差等于模拟码值误差，组合码值未出现粗大误差。
若
假设不出错，则，根据式(1)得到，所以。结果，组合码值误差等于模拟码值误差，组合码值未出现粗大误差。
假设出错，则，根据式(1)得到，所以。结果，组合码值误差等于模拟码值误差，组合码值未出现粗大误差。
分析1.5附近C点的组合码值误差
若
假设不出错，则，根据式(1)得到，所以。结果，组合码值误差等于模拟码值误差，组合码值未出现粗大误差。
假设出错，则，根据式(1)得到，所以。结果，组合码值误差等于模拟码值误差，组合码值未出现粗大误差。
若
假设不出错，则，根据式(1)得到，所以。结果，组合码值误差等于模拟码值误差，组合码值未出现粗大误差。
假设出错，则，根据式(1)得到，所以。结果，组合码值误差等于模拟码值误差，组合码值未出现粗大误差。
分析1.5附近D点的组合码值误差
若
假设不出错，则，根据式(1)得到，所以。结果，组合码值误差等于模拟码值误差，组合码值未出现粗大误差。
假设出错，则，根据式(1)得到，所以。结果，组合码值误差等于模拟码值误差，组合码值未出现粗大误差。
若
假设不出错，则，根据式(1)得到，所以。结果，组合码值误差等于模拟码值误差，组合码值未出现粗大误差。
假设出错，则，根据式(1)得到，所以。结果，组合码值误差等于模拟码值误差，组合码值未出现粗大误差。
综上，在数字码周期边缘附近，最易发生图像信息提取误差，带来数字码值错误。但使用本发明容错方法，数字码值错误不会带来组合码值错误，从而避免了测量粗大误差。编码空间中的其它点容错能力同A、B、C、D点。
容错方法实际测量实验
将本发明方法具体实施在一种视觉三维测量系统——编码光三维测量系统中，系统包括一个Infocus82 3DLP投影机和一个HV-F22F 3CCD摄像机，采用计算机完成编码光三维测量系统控制和数据运算。
根据本发明方法编码，利用投影机将编码图案投射在被测表面；利用摄像机拍摄编码图像，并进行图像信息提取，从而完成解码。
针对复杂表面测量，比较采用现有方法编解码和采用本发明容错方法编解码的测量结果。
两种方法的一般测量误差均小于1mm；但对于颜色变化、斜率变化、反射率变化剧烈的表面(图像信息提取误差较大)，采用现有方法编解码出现了较多粗大误差(大于1mm)，而采用本发明容错方法编解码未出现粗大误差。

Claims (1)

1.一种用于视觉三维测量组合编解码的容错方法，其特征在于它通过以下步骤实现：
步骤一：
将编解码过程转换到归一化空间进行，归一化因子设为
式中为模拟码周期的物理长度；为数字码周期的物理长度；
则归一化空间中的模拟码周期长度数字码周期长度；
步骤二：
编码时，设定,设定模拟码起始点相对于数字码起始点滞后；为组合码值，模拟码值、数字码值；O为组合编码的起始点；
步骤三：
解码时，被测点所在的模拟码周期序数，根据被测点的数字码值和模拟码值由式(1)求得，式中fix为向下取整函数:
(1)
组合码值由式(2)求得
(2)。
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